CC BY
129
УДК 629.5.078 : 629.5.011.13 Дата подачи статьи: 06.03.2014
О ТЕХНОЛОГИИ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ И БЕЗОПАСНОСТИ КОРАБЛЕЙ ВМФ
С.Л. Лобанов, к.т.н., доцент, старший научный сотрудник; Д.А. Бледное, к.т.н., старший научный сотрудник (Научно-исследовательский институт кораблестроения и вооружения ВМФ
ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», ул. Чапаева, 30, г. Санкт-Петербург, 190013, Россия, [email protected]); В.Е. Сорокин, к.т.н., ведущий научный сотрудник (НИИ «Центрпрограммсистем», просп. 50лет Октября, 3а, г. Тверь, 170024, Россия, [email protected])
Многочисленные аварии и катастрофы на кораблях в послевоенный период многие специалисты в области военного кораблестроения связывают с их недостаточной живучестью. Авторы статьи утверждают, что в мирное время при эксплуатации корабля в повседневных условиях основным его свойством, противостоящим авариям и возможному ущербу от них, является безопасность. Приводится анализ существующего в ВМФ термина «безопасность» и предлагается подход к разработке технологии его автоматизированной оценки, в основу которого положен критерий минимально необходимого уровня функционирования корабля. Перечислены и обоснованы события, которые должны быть исключены для обеспечения такого уровня функционирования корабля. Полнота выполнения техническими средствами (системами) корабля задач по предотвращению этих событий положена в основу определения критериев его безопасности. Даются определения и основные соотношения для вычисления характеризующих их показателей. Предложено ввести два уровня управления кораблем и его техническими средствами (системами) при борьбе за безопасность: низкий при ручном и высокий при дистанционном управлении техническими средствами (системами) корабля. Приведен пример возможного деления надводного корабля на аварийные участки, оборудование и механизмы которых попадают под действие поражающих факторов различных аварий. Формализация оценок безопасности базируется на выделении функционально самостоятельных операций, выполняемых значимыми элементами технических средств (систем) корабля по обеспечению минимально необходимого уровня его функционирования, и на построении функционально-топологических схем элементов и структурно-логических схем условий выполнения этих операций в виде ориентированного графа. Количественные значения показателей выполнения функционально самостоятельных операций вычисляются по соответствующим схемам логическим выражениям. Рассмотрен порядок определения оценки безопасности проектируемых кораблей по введенным критериям и показателям и выработки рекомендаций для повышения их безопасности. В заключительной части статьи дается ряд предложений по повышению безопасности кораблей ВМФ.
Ключевые слова: живучесть и безопасность корабля, минимально необходимый уровень функционирования, критерии и показатели безопасности, функционально самостоятельная операция, структурно-логическая схема.
ON THE AUTOMATED SURVIVABILITY EVALUATION TECHNOLOGY AND SAFETY
FOR RUSSIAN NAVY SHIPS Lobanov S.L., Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Senior Researcher;
BlednovD.A, Ph.D. (Engineering), Senior Researcher (Russian Naval Research Institute for Shipbuilding and Armaments, Military Education and Research Centre of the Russian Naval Academy, Chapaeva St. 30, St. Petersburg, 190013, Russian Federation, [email protected]);
Sorokin V.E., Ph.D., Leading Researcher (Engineering) (Research Institute «Centerprogramsystem», 50 let Oktyabrya Av. 3a, Tver, 170024, Russian Federation, [email protected])
Received 06.03.2014
Abstract. Many military shipbuilding specialists connect the numerous accidents and disasters which occurred on ships after the World War II with their insufficient survivability. The paper states that the ship safety is the main feature which can withstand accidents and probable damage in the peacetime during the ship service process under routine conditions. The authors analyse the "safety" term, used in the Russian Navy. They also propose an approach to develop an automated assessment technology for this term. This method is based on a minimum level criterion of ship operation. The article describes and proves events which should be excluded to ensure such level of the ship functioning. The ship safety criteria definition is based on its functional efficiency of preventing these events by means (systems) of the ship. Definitions and basic parities to describe their parameters calculation are given. It is offered to enter two management levels of the ship and its means (systems) at struggle for safety: low at manual and high at remote control by means (systems) of the ship. There is an example of possible division of the ship on emergency regions. Their equipment and mechanisms fall within the scope of adverse factors of various accidents. Safety estimations formalization is based on allocation of the functional-independent operations which are carried out by significant elements of the ship means (systems) on maintenance a minimal necessary level of its functioning. It also is based on construction of functional-topological circuits of elements and structural-logic circuits of these operations performance conditions as direct graph. Quantitative values of functional-independent operations performance parameters are calculated according to corresponding circuits to logic expressions. The article considers the process of definition of projected ships safety rating according to entered criteria and parameters, as well as recommendations to increase their safety. The concluding part of the paper formulates a number of proposals to improve ships safety of the Russian Navy.
Keywords: ship survivability and safety, minimal necessary level of functioning, criteria and parameters of safety, functional-independent operation, structural-logic circuit.
Известно, что многочисленные аварии и катастрофы кораблей ВМФ в послевоенный период специалисты в области военного кораблестроения связывают прежде всего с недостаточным обеспечением их живучести. Об этом свидетельствуют материалы в средствах массовой информации об авариях кораблей [1], руководящие и эксплуатационные документы, регламентирующие борьбу с возникшей аварией на кораблях ВМФ, а также ряд совместных решений ВМФ и промышленности по конструктивному и организационно-техническому обеспечению живучести проектируемых заказов. Подобные тенденции характерны для всех стран мира [2]. Однозначная связь между аварийным повреждением и противостоящим ему свойством «живучесть» следует из определений живучести корабля, содержащихся в таких руководящих документах, как Корабельный устав ВМФ РФ от 2002 года и государственные стандарты. В этих документах живучесть корабля противостоит не только боевым, но и аварийным повреждениям, которые не связаны с воздействием боевых средств противника [3] и происходят в мирное время, вне боя. Часто такую живучесть называют эксплуатационной живучестью (или живучестью при эксплуатационных повреждениях) в отличие от боевой живучести. При получении кораблем аварийных повреждений вне боя, по мнению многих специалистов ВМФ и промышленности, правильнее оценивать не его живучесть, а безопасность.
Термин «живучесть корабля» был введен в 1894 году С.О. Макаровым и означал способность судна продолжать бой, имея повреждения в различных боевых частях, и не связывался с повреждениями, полученными вне боя [4]. Позднее термин «живучесть» стал использоваться и для характеристик свойств других, в том числе и невоенных, объектов, под ним понималась способность функционировать по прямому назначению в неспецификационных (форс-мажорных) условиях эксплуатации.
При аварийных повреждениях корабль находится вне боя и непосредственное решение каких-либо боевых задач, то есть функционирование корабля по прямому назначению, уходит на второй план. Главным свойством корабля, которое в этом случае необходимо обеспечить, становится не живучесть, а безопасность.
Свойство «безопасность» в действующем государственном стандарте о свойствах и характеристиках современных кораблей определяется как способность корабля сохранять при выполнении поставленных задач в конкретных условиях в течение установленного времени состояние, при котором исключено или снижено до допустимых значений воздействие опасных или вредных факторов на личный состав, а также окружающую природную среду и местное гражданское населе-
ние. По мнению авторов, замена неопределенного словосочетания «в конкретных условиях» на «в условиях аварийных повреждений» более четко отразит сходство и различие свойств безопасности и живучести. С подобным подходом согласуются по смыслу и определения свойства безопасности, данные в [5] применительно к структурно сложным техническим и организационно-функциональным системам, таким как корабль.
Следовательно, оценку качества поврежденного корабля необходимо проводить с точки зрения обеспечения двух его свойств: живучести при получении боевых повреждений и безопасности при получении аварийных повреждений. В настоящее время для количественной оценки уровня обеспечения корабля такими свойствами отсутствуют утвержденные в ВМФ и согласованные с промышленностью соответствующие критерии и показатели. В этой связи авторами предлагается подход к оценке безопасности корабля, основанный на ряде проведенных исследований и введенных в действие руководящих документов по вопросам оценки живучести и безопасности кораблей ВМФ, центральным из которых является «Концепция обеспечения живучести подводных лодок IV поколения», разработанная специалистами ВМФ и промышленности после гибели атомной подводной лодки (ПЛ) «Курск» и введенная в действие в 2001 году. В качестве критерия безопасности поврежденного корабля предлагается минимально необходимый уровень его функционирования, исключающий возникновение следующих пяти событий, ведущих к катастрофе корабля:
- взрыв боезапаса, взрывчатых веществ в погребах и взрывоопасных помещениях;
- распространение поражающих факторов аварии за пределы аварийного отсека (участка);
- поступление воды, приводящее к потере остойчивости и (или) плавучести;
- потеря управляемого движения;
- потеря должностными лицами корабля, руководящими борьбой за живучесть (БЖ), возможности использования громкоговорящей связи для отдачи команд и приема докладов с командных пунктов и боевых постов в ходе БЖ.
Под поврежденным кораблем здесь и далее понимается корабль, у которого вышли из строя все оборудование и механизмы участка (отсека, помещения, противоаварийной зоны), попавшие под действие поражающего фактора (ПФ) возникшей аварии. Пример возможного деления надводного корабля (НК) на аварийные участки (АУ), главные водонепроницаемые отсеки (ГВО), противопожарные зоны (ППЗ), оборудование и механизмы которых попадают под действие ПФ различных аварий, приведен на рисунке. На нем также указаны наиболее важные для оценки безопасности в предложенном подходе элементы кон-
Схема деления корабля гипотетического проекта на аварийные участки The ship division circuit on emergency regions for hypothetic project
структивного характера НК (например, расположение палубы бака (ПБ), верхней палубы (ВП), второй палубы (2П), платформы (Пл), 1-го яруса (1ЯР) и 2-го яруса (2ЯР) надстройки, ходовой рубки (ХР), командного поста энергетики и живучести (КПЭЖ), машинного отделения (МО) и т.п. элементов).
В соответствии с упомянутой концепцией при оценке безопасности аварийной ПЛ, находящейся в подводном положении, понятие минимально необходимого уровня функционирования дополняется исключением шестого события, связанного с неспособностью ПЛ всплыть в надводное положение и оставаться на плаву без поддува отсеков и цистерн главного балласта (ЦГБ) в течение времени и при волнении моря, заданных в ТТЗ на ПЛ.
Таким образом, оценка безопасности корабля сводится к оценке возможности решения с помощью его соответствующих технических средств (ТС) (систем) следующих задач.
Задача 0 - всплытие корабля в надводное положение с рабочей глубины и нахождение в этом положении без поддува ЦГБ согласно требованиям тактико-технических заданий (только для ПЛ, для которых ее выполнение превалирует над выполнением пяти других задач).
Задача 1 - недопущение взрыва боезапаса и других взрывчатых веществ в погребах и взрывоопасных помещениях аварийного корабля.
Задача 2 - недопущение распространения ПФ аварии (пожара) и их развития за пределы аварийного участка (отсека, помещения, противоаварий-ной зоны).
Задача 3 - недопущение поступления воды внутрь корпуса, приводящее к потере остойчивости и (или) плавучести аварийного корабля.
Задача 4 - недопущение потери кораблем управляемого движения.
Задача 5 - недопущение потери должностными лицами корабля, руководящими БЖ, возможности использования громкоговорящей связи для отдачи команд и приема докладов с командных пунктов и боевых постов в ходе БЖ.
При таком подходе общим критерием безопасности корабля в целом является выполнение его соответствующими ТС (системами) каждой из пяти (для ПЛ - шести) определенных выше задач, а выполнение каждой отдельно взятой задачи оценивается частным критерием безопасности корабля. Полноту достижения поврежденным кораблем общего или частных критериев безопасности характеризуют соответствующие показатели Fi выполнения 1-й задачи или F минимально необходимого уровня функционирования корабля, которые могут иметь следующие качественную и трехзначную количественную составляющие:
- выполнению в полном объеме (качественная составляющая показателя) соответствует 1 (количественная составляющая показателя);
- выполнению частично соответствует 0,5;
- невыполнению соответствует 0.
Указанные показатели определяются применительно к каждому типу аварии (пожар, поступление воды и т.д.) и к каждому участку (отсеку, помещению, противоаварийной зоне), на которые разбивается корабль в ходе проводимой оценки (см. рисунок). Под частичным выполнением 1-й задачи понимается ее выполнение применительно не ко всем, а только к части участков из их множества V: ^=0,5, если 3 {/, F/=0 л F1k>0, где F/ обозначает Fi на ]-м участке. Под частичным выполнением минимально необходимого уровня
функционирования корабля понимается выполнение, полное или частичное, всех перечисленных задач: F=0,5, если V/: FI>0 л З/: FI=0,5. Выполнение в полном объеме соответствует всем единичным значениям. Соответственно можно рассматривать три различных уровня безопасности корабля: нормальный (все задачи решены в полном объеме: V/: FI=1), допустимый (все задачи решены хотя бы частично: V/: FI>0) и низкий (не решена, даже частично, хотя бы одна из задач: З/: FI=0).
Эффективность борьбы с авариями на современных кораблях с относительно высокой степенью автоматизации и небольшим количеством личного состава в значительной степени зависит от сохранения возможности дистанционного управления ТС со штатных пультов управления, за которыми находится подавляющее большинство личного состава по аварийной тревоге. Потеря дистанционного управления (например в КПЭЖ, см. рисунок) и перевод управления по месту расположения ТС на местный пост управления или на ручное управление (например в МО, см. рисунок) нарушают принятую и отработанную на корабле организацию борьбы с аварией и негативно сказываются на решении каждой из перечисленных выше задач (за исключением 5-й задачи). По этой причине, помимо введенных выше трех уровней обеспечения безопасности, целесообразно ввести два уровня управления кораблем и его ТС при борьбе за безопасность: низкий (ручное управление) и высокий (дистанционное управление). Очевидно, что при нулевом значении уровня безопасности корабля в целом не имеет смысла выполнять оценку уровня управления такой безопасностью.
Оценка безопасности по введенным выше критериям и показателям была выполнена для ряда проектируемых кораблей в следующей последовательности:
1) выбор и обоснование моделей воздействия аварийных повреждений на работоспособность ТС (систем), обеспечивающих безопасность корабля;
2) формирование перечня участков (отсеков, помещений, противоаварийных зон) корабля, в пространстве которых воздействуют аварийные повреждения (см. пример на рисунке);
3) формирование перечня ТС (систем), влияющих на выполнение каждой из пяти (шести для ПЛ) задач, сформулированных выше;
4) вычисление показателей живучести каждого отдельно взятого ТС (системы) по специально разработанной методике с использованием аппарата алгебры логики;
5) вычисление показателей частных критериев безопасности по решению каждой /-й задачи с учетом совместной работы ТС (систем);
6) вычисление общего показателя и уровня безопасности корабля в целом при получении аварийных повреждений.
Если первые три шага выполняются специалистом экспертно, то последующие поддаются автоматизации. Порядок вычисления уровня безопасности корабля, показателей общего и частных критериев безопасности были рассмотрены выше. Четвертый шаг является определяющим в формализации получения оценок безопасности. Рассматривается функционально самостоятельная операция (ФСО), выполняемая ТС по обеспечению минимально необходимого уровня функционирования корабля, а живучесть ТС оценивается показателем выполнения этой операции, значения которого определяются подобно показателям безопасности.
Для формирования содержания ФСО производится дезинтеграция ТС на значимые в аспекте выполняемой операции элементы, из которых это ТС состоит. Следует отметить, что подобные ФСО формируются и при оценке надежности, но на существенно более детальном уровне дезинтеграции ТС на отдельные элементы, значимые при вычислении надежности. При оценке живучести значимые элементы представляют собой оборудование в виде сборочных единиц, все составные части которых объединены в единое целое как подвергающиеся одинаковому воздействию. Для последующих вычислений и анализа ФСО ТС представляется конъюнкцией или дизъюнкцией логических функций состояний значимых элементов, которые исходно задаются или вычисляются на моделях воздействия аварийных повреждений. С этой целью структура выполнения ФСО отражается с помощью функционально-топологической схемы, которая указывает расположение реализующих ее элементов ТС по участкам корабля и функциональные связи между ними. По результатам анализа этой схемы строится структурно-логическая схема условий выполнения ФСО в виде ориентированного графа, ребра которого отражают значимые элементы, а вершины - логические связи между ними, включая вершину схождения ребер, отражающую логические условия выполнения ФСО. Учитывая уровень дезинтеграции ТС на значимые элементы, вычисление количественных значений логических выражений показателей выполнения ФСО, общего и частных критериев безопасности программно реализуемо в реальном времени выполнения оценки безопасности проектируемых кораблей.
Выполненные оценки позволили конструкторскому бюро - проектанту корабля более объективно взглянуть на его безопасность и определить слабые звенья. Полученные в результате оценки носили как конструктивный (изменение топологии расположения ТС, их резервирование, повышение стойкости элементов и т.д.), так и организационно-технический характер, связанный с разработкой соответствующих положений в эксплуатационной документации по борьбе с авариями.
На основе изложенного можно сделать следующие выводы и предложения по повышению безопасности кораблей ВМФ.
Технологию оценки действующих и проектируемых кораблей ВМФ при их повреждениях следует выполнять с точки зрения не только живучести, но и безопасности, определяющей объем возможного для государства ущерба в мирное время при их повседневном использовании.
В качестве основного критерия безопасности целесообразно принять обеспечение поврежденного корабля минимально необходимым уровнем функционирования, который исключает его катастрофу и гибель личного состава в мирное время.
Совместными усилиями ВМФ и промышленности необходимо разработать методические указания по оценке безопасности перспективных кораблей, которую выполнять в ходе их проектирования наряду с оценками (расчетами) других свойств и характеристик.
Конструкторским бюро - проектантам корабля при разработке эксплуатационной документации не сводить разрабатываемые действия при авариях только к борьбе за живучесть.
Целесообразна разработка двух разных комплектов эксплуатационной документации - по борьбе за живучесть и по борьбе за безопасность, которые для ряда ситуаций могут иметь большие различия.
Литература
1. AGCS Safety & Shipping 1912-2012 Report. URL: http://www.slideshare.net/AllianzKnowledge/agcs-safety-shipping-19122012-report-12288569 (дата обращения: 19.02.2014).
2. Ship safety Conference, Antwerp, Belgium, 30 Nov.-2 Dec. 2009. URL: http://www.slideshare.net/ArenaInternational/ ship-safety-conference (дата обращения: 19.02.2014).
3. Живучесть корабля; [под ред. В.А. Коковина]. СПб: Левша, Российская инженерная академия ВМФ, 2009. С. 16.
4. Макаров С.О. Разбор элементов, составляющих боевую силу судов // Морской сборник. 1894. № 6. С. 10.
5. Поленин В.И., Рябинин И.А., Свирин С.К., Гладкова И.А.; [под ред. А.С. Можаева]. Применение общего логико-вероятностного метода для анализа технических, военных и организационно-функциональных систем и вооруженного противоборства. СПб: Изд-во РАЕН, 2011.
References
1. AGCS Safety & Shipping 1912-2012 Report. Available at: http://www.slideshare.net /AllianzKnowledge/agcs-safety-shipping-19122012-report-12288569 (accessed Feb. 19, 2014).
2. Ship safety conf. 2009. Available at: http://www.sHde-share.net/ArenaInternational/ship-safety-conference (accessed Feb. 19, 2014).
3. Kokovin V.A., ed. Zhivuchest korablya [Ship survivability]. Monograph (Study). St. Petersburg, Levsha Publ., Russian engineering academy of the Russian Navy, 2009, p. 16.
4. Makarov S.O. An analysis of components which constitute ship combative force. Morskoy sbornik [The sea collection]. 1894, no. 6, p. 10 (in Russ.).
5. Polenin V.I., Ryabinin I.A., Svirin S.K., Gladkova I.A. Primenenie obshchego logiko-veroyatnostnogo metoda dlya analiza tekhnicheskikh, voennykh i organizatsionno-funktsionalnykh sistem i vooruzhonnogo protivoborstva [An application of common logi-cal-and-probabilistic method to analyse technical, military, organizational and functional systems and armed counteraction]. Russian Academy of Natural Sc. Publ., St. Petersburg, 2011, pp. 14-47.
